7. Механизмы активации водорода, субстрата и молекулярного кислорода. Механизмы участия кислорода в метаболизме.

В создании современных представлений о биологическом окислении большое значение имели работы двух крупнейших русских ученых — В. И. Палладина (1859—1922) и А. Н. Баха (1857—1946). Работы А. Н. Баха были посвящены возможности активации кислорода воздуха. Молекулярный кислород — достаточно инертное соединение. Бах выдвинул предположение, что имеются ферменты-оксигеназы, активирующие кислород. Он считал, что процесс активации состоит в том, что происходит образование пероксидных соединений.

В. И. Палладии первый стал рассматривать дыхание как ряд ферментативных реакций. Основное значение в процессе окисления он придавал процессу отнятия водорода от субстрата при участии воды. Содержание своей теории В. И. Палладии выразил в виде следующих уравнений:

С6Н12О6 + 6Н2О + 12R → 6СО2 +12 RН2

12 RН2 + 602 ￫ 12R +12Н20

С6Н12О6 + 6О2 -> 6СО2 + 6Н2О

Символом R Палладин обозначал дыхательный пигмент, способный к обратимым окислительно-восстановительным превращениям. Из приведенной схемы вытекают следующие важные положения: 1. Непременным участником дыхания является вода. 2. Вода наряду с окисляемым субстратом выполняет роль донора водорода. 3. В процессе дыхания участвуют специфические активаторы водорода, отнимающие водород от субстрата. 4. Первые этапы дыхания являются анаэробными и не требуют присутствия молекулярного кислорода. 5. Молекулярный кислород используется на заключительном этапе дыхания для регенерации акцепторов водорода с образованием воды. Все указанные положения легли, как мы увидим, в основу современных представлений о процессе дыхания, согласно которым дыхание идет в две фазы — анаэробную и аэробную, и молекулярный кислород используется на регенерацию ферментов за счет Н+ воды и субстрата. В процессе дыхания активируется как водород субстрата, так и кислород воздуха.

Образование активных форм кислорода играет важную роль в процессах биодеградации, например при отмирании тканей (клеточная смерть - апоптоз).

8.Активные формы кислорода и их значение ж/д растений. Антиоксидантная система.

Молекулярный кислород не токсичен для клеток, однако опасность представляют продукты его неполного окисления: перекисные соединения, супероксидные радикалы, синглетный кислород и др. Эти соединения получили название активные формы кислорода. Появление АФК вызвано тем, что молекулярный кислород может перехватывать электроны у некоторых переносчиков цепи электронного транспорта. АФК: перекись водорода, в свою очередь, восстанавливается и дает гидроксил-радикал. Реакционная способность последнего чрезвычайно высока, поэтому гидроксил-радикал способен окислить практически любое вещество клетки. АФК вызывают образование органических гидропероксидов ДНК, белков, липидов. Этот процесс называют перекисным окислением. Гидропероксиды в ходе метаболизма способны превращаться в различные окисленные соединения — спирты, альдегиды и др. АФК образуются в различных частях клетки. У растений эти процессы происходят в хлоропластах. В ФС I появ­ление супероксидного радикала связано с ферредоксином, а в ФС II — с фотолизом воды. Образование АФК в клетке происходит постоянно и является обычным метаболическим процессом. АФК принимают участие в защитных реакциях, например, при действии патогенов, а также служат вторичными посредниками в передаче сигналов. Однако при неблагоприятных воздействиях (засуха, затопление, повышенная температура, тяжелые металлы, механические повреждения, гербициды и др.) происходит чрезмерное накопление АФК, что может приводить к серьезным функциональным нарушениям, поскольку повреждаются различные компоненты клеток. АФК могут вызывать повреждение фотосинтетического аппарата хлоропластов (фотоингибирование). АФК вызывают модификацию нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Ингибируется деление клетки. Особенно АФК влияют на электронтранспортную цепь хлоропластов и митохондрий. Защита клетки обеспечивается благодаря работе антиоксидантной системы (АОС), которая может осуществляться энзиматическим и неэнзиматическим путем. Основным способом защиты от АФК является их инактивация. Это достигается работой специальных ферментов: супероксиддисмутазы, каталазы и пероксидазы. Супероксиддисмутаза(СОД) присутствует во всех аэробных организмах и служит для эффективного удаления супероксидных радикалов. Каталаза расщепляет перекись водорода с образованием воды и молекулярного кислорода, а пероксидазы восстанавливают перекись до воды специальными субстратами, например, глютатионом. Глютатион-зависимые ферменты работают во всех частях клетки, включая ядро, митохондрии и эндоплазматическую сеть. Важность работы каротиноидов по обезвреживанию АФК доказывается опытами с мутантами. Мутанты микрооганизмов, лишенные каротиноидов, оказываются нежизнеспособными и погибают на свету в результате фотоокисления. Другим механизмом защиты от АФК является уменьшение внутриклеточной концентрации молекулярного кислорода, а соответственно и АФК в клетке. Кроме того, в ответ на накопление АФК могут открываться поры на внутренней мембране митохондрий, что, по-видимому, связано с утечкой протонов. В результате стимулируется дыхание и «утилизируется» 02. При избыточном накоплении АФК клеткой и невозможности избавится от них, клетки уничтожаются апоптозом.Показано, что введение в ткани СОД подавляет образование избыточных АФК и снижает гибель клеток под действием патогенов. Трансгенные растения с повышенной активностью СОД оказывались более устойчивыми в ряду стресс-факторов, в том числе водному дефициту.